锌掺杂钛表面调控成骨相关细胞/细菌响应及机制研究

Stimuli-responsive biomaterials which could direct bone cell and bacteria fates in opposite ways provide a new approach to address the critical problems of clinical Ti-based implants. This project aims to examine the fabrication process of Zn-incorporated Ti, investigate the important role of microenvironment in delivering the chemical stimulus and regulatory cues from biomaterials to regulate the cellular responses and bacterial responses, especially the effects of released Zn2+ on protein expression and adsorption of extracellular matrix as well as growth factors. Furthermore, how these variations in microenvironments regulate signal transduction processes which direct cell performances will be studied. In another respect, the impacts of Zn-incorporated Ti on bacteria adhesion and growth as well as its anti-infection efficacy against bacteria will also be well stuided at the molecular biology level. This study will provide an insight into the biomaterials possessing excellent osseointegration and antibacterial activities.

生物活性低和缺乏抗菌性是钛植入体临床应用中面临的主要问题。据此，项目申请者提出利用锌掺杂钛表面调控细胞和细菌行为，协同解决这两大问题的新思路。本项目拟研究钛表面锌掺杂工艺及调控机制，探讨锌掺杂钛表面及锌离子释放对细胞微环境中细胞外基质蛋白表达和吸附、生长因子表达的影响，并进一步研究细胞微环境对细胞粘附、迁移和分化等的调控作用。同时，从分子生物学水平探讨锌掺杂钛表面锌离子释放对细菌粘附和生长的影响规律，以及细胞微环境对细菌感染细胞效率的作用规律和机制。通过上述研究，了解细胞/细菌对生物材料表面响应差异的可能路径和作用机制，为制备兼具良好成骨性能和抗菌性能的生物材料提供理论依据。

研发硬组织修复和替代材料具有深远的社会影响和巨大的经济效益。本项目针对钛基植入体材料临床使用中骨再生能力不佳和表面缺乏持久抗菌性这两大关键问题，提出利用锌掺杂实现对钛基材料表面对细胞和细菌的差异性调控协同解决这两大问题的新思路。本项目研究发现：（1）利用等离子浸没离子注入/镀膜技术和微弧氧化技术，可有效控制锌的深度分布和掺杂含量，获得“表面锌掺杂”和“整体锌掺杂”的TiO2涂层；（2）“表面锌掺杂”能有效降低锌的掺杂含量和离子释放，利用细胞/骨组织-材料间的界面微环境提高锌的生物学利用率，促进大鼠骨髓间充质干细胞的增殖、分化和成骨标记物的基因表达水平，骨整合性能和骨结合率；（3）提出利用锌转运蛋白ZnT1和ZIP1的基因表达水平作为判断锌掺杂含量是否过量的标准，发现“表面锌掺杂”TiO2涂层上ZnT1的表达水平与Ti和Z0接近，不会干扰细胞内锌的动态平衡，同时“表面锌掺杂”涂层能上调ZIP1的基因表达水平，可促进锌的吸收和成骨相关基因的表达上调，具有更好的生物安全性；（4）“整体锌掺杂”涂层比“表面锌掺杂”涂层对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有更好的抗菌性能，主要与锌离子的释放动力学相关；（5）锌掺杂TiO2涂层对兔胫骨金黄色葡萄球菌感染具有良好的预防作用，能有效降低植入部位的细菌感染状况。本项目的研究成果有利于揭示锌掺杂钛基材料与细胞/细菌间的相互作用，为改性钛基材料的生物学效应研究和潜在的临床应用提供理论基础。